DÍZELT VAGY BENZINEST, ELSŐ RÉSZ: A SZÍVÓCSŐ-BEFECSKENDEZÉSŰ BENZINESEKRŐL
Milyen autót vegyek? Melyiknek nem megy tönkre biztosan a motorja? Melyikre nem kell egy vagyont költeni? Jó választ adni szinte lehetetlen.
A kérdések hallatán a szerelő hátratolja a sapkáját, nagyot szippant a cigarettájába és megdörzsöli az állát, mielőtt a mondókájába kezd. Szóba kerül a háromeffes szabály (tudják: Fordot, Fiatot, franciát ne), és megemlít néhány biztosan kerülendő típust.
Autóvásárlási tanácsokat sosem adok, ez a cikk sem erről szól. Az emberek többsége nem autóbuzi, hanem az autójára használati tárgyként tekintő közlekedő. Ökölszabály, hogy minél fiatalabb egy autó, annál bonyolultabb, ezáltal drágább technológiát találunk a motorterében.
Míg a kétezres év környékén egy Golf levegőrendszere tartalmazott egy fojtószelepegységet és egy légtömegmérőt a beleépített hőmérséklet-érzékelővel, a képen látható, hogy tíz évvel később többszörösére nőtt a beavatkozók és a jeladók száma csak a levegőellátásban. A befecskendező rendszere sem az egyszerűsödés irányába fejlődött. Igaz, ez a motor – igazodva az állítólagos vásárlói igényekhez – körülbelül másfélszer erősebb. Erre az erőtartalékra óriási szükségünk van dugóban araszolva, vagy a szaporodó traffipaxok korában, a közlekedési szabálysértések mihamarabbi elkövetése érdekében.
A legmegbízhatóbb: szívócső-befecskendezésű benzines szívómotor
Az ezredforduló környékén a legtöbb forgalomba helyezett új benzines személygépkocsi motorterében még ezt találtuk. Halálos ítéletét dilettáns törvényalkotók írták alá Brüsszelben. Sokáig fogjuk siratni, pontosabban nem én, hanem önök. Ennek a kiforrott technikának is voltak típustól függően betegségei, de néhány kivételtől eltekintve javítási költségük tervezhetően kiautózható. Jellemző főbb tulajdonsága a külső keverékképzés. A benzin befecskendezése a szívócsőbe történik, így az mire bejut a hengerbe, már homogén elegyet alkot a levegővel. Megfelelő mechanikai állapotú motor esetén az égés a lambda-szabályzásnak és a korszerű motorirányító rendszereknek köszönhetően tökéletes.
Fontos, pozitív hatása ennek a befecskendező rendszernek, hogy a szívócsőben áramló levegőbe (1) permetezi az injektor (2) az üzemanyagot. Mielőtt az égéstérbe (3) kerülne az elegy, lemossa és lehűti a szívószelepet, így azon nem tud lerakódni a visszavezetett kartergáz, vagy EGR rendszer (kipufogógáz-visszavezetés) alkalmazása esetén az égéstermék, koksz.
A kilencvenes évek elején az átlagos felhasználókat kielégítő gyártók jellemzően négyhengeres, hengerenként kétszelepes motorokat építettek modelljeikbe, főleg az európaiak. A környezetvédelmi előírások szigorodása és a felgyorsuló világunkat élő felhasználók követelményeinek eleget téve a gyártók fejlesztették motorjaikat a jobb hatásfok és magasabb teljesítmény elérésének érdekében.
Míg húsz éve általában a sportosabb modelleket jellemezte a hengerenkénti négy szelep alkalmazása, a kétezres évektől ez megjelent a kisebb kategóriákban is. Erre a hengerek jobb töltése, szellőztetése érdekében volt szükség. A szelepek számának növelése problémákat is vont magával. A szelepszárak vékonyabbak lettek, esetenként hamarabb koptatják ki a vezetőjüket, így megnövekedhet az adott motor olajfogyasztása. Tüneti kezelésként gyakran alkalmazzák a szelepszár-szimering cseréjét, de az ok gyökere általában a szelepvezető és a szelepszár közötti illesztési hézag növekedése.
A szelepek számának növelése rossz hatással van a hengerbe tóduló levegő, vagy üzemanyag-levegő keverék áramlására. Ha az áramlat nem vesz fel egy perdülő, örvénylő mozgást, a befecskendezett üzemanyag nehezebben vegyül el a levegővel, kevésbé homogén elegyet alkot. Ezt a jelenséget javítandó, általánosan elterjedt a hengerenként négyszelepes motorokon a perdület-, vagy örvénycsappantyú alkalmazása. A működési elve egyszerű. Alacsony, vagy részterhelési tartományban, tehát kisebb fojtószelep nyitási szög esetében a szívócső (1) egyik szívószelep felé vezető csatornáját egy csappantyúval (2) lezárja a működtető egység (4), ami általában egy vákuumdob által vezérelt szerkezet. A hengerbe csak az egyik szívócsatornán (3) áramlik az üzemanyag-levegő keverék, ezáltal nagy sebességű örvénylő mozgást végez (6), ami elősegíti az üzemanyag tökéletes elkeveredését a levegővel, így a hengerben közel azonos összetételű homogén keverék alakul ki. A rendszert alkalmazzák dízelmotorokon is.
Nagyobb, vagy teljes terhelés esetén a csappantyú nyit, és szabaddá teszi az áramlást mindkét szelepen. A perdületcsappantyú meghibásodásának leggyakoribb oka a silány anyagminőség. A vékony tengelyek gyakran kikoptatják a műanyag házat, ezáltal zörögnek, rosszabb esetben valamelyik végállásban beszorulnak. Többféle variáció létezik, a képen például a Fiat Grande Punto 1.4 benzines megoldását láthatjuk, egy lap tologatásával nyitja-zárja a szívócsatornát.
A szívócső-befecskendezésű Otto-motor szívórendszere további fejlődésen esett át. A cél: minden fordulatszám-tartományban elérni a lehető legkisebb veszteséggel járó módon a maximális hengertöltést. Különböző fordulatszám tartományokban a beáramló légoszlop eltérően viselkedik. Alacsony fordulaton egy hosszabb szívócső biztosítja a maximális hengertöltést, míg magasabb fordulaton rövidebb. Ennek érdekében elterjedt a szívócső-átkapcsolás. A rendszer lényege, hogy egy terelőlap segítségével nyitható-zárható a szívócsőben egy megkerülő csatorna, ettől lesz igény szerint hosszabb, vagy rövidebb a beáramló levegő által megtett út.
A hengertöltés/öblítés fontosságát jelzi, hogy a gyártók további komplikált megoldásokat vezettek be motorjaikon. Alacsony motorfordulaton lassabb a beáramló levegő, vagy üzemanyag-levegő keverék sebessége, ezáltal kisebb a légoszlop fizikai tehetetlenségéből adódó lendülete. Emlékeztetőül: a négyütemű Otto-motor első üteme a szívás. Ilyenkor a dugattyú a felső holtpont felől halad az alsó holtpont felé. Alapjáraton, illetve kisebb fordulatszám mellett a lassabb légoszlop kisebb tehetetlensége miatt már az alsó holtpont környékén kiegyenlítődik a szívócsőben, és a sűrítőtérben lévő nyomás. Ha a szívószelepet ilyenkor tovább nyitva tartanánk, a motor „visszaböfögné” a már beszívott gázokat, ami rontaná a teljesítményt és a hatásfokot.
A henger töltése akkor lesz tökéletes, ha a szívószelepet akkor zárjuk, amikor a beáramló gázok sebessége nullára csökken. Ennek megvalósítása valamennyi fordulatszám-tartományban szinte lehetetlen. Alapjáraton és alacsony motorfordulaton a dugattyú alsó holtpontja környékén, míg magasabb fordulaton jóval az alsó holtpont után érdemes a szívószelepet zárni. A szelepnyitási pontokat a vezérműtengely bütyökprofilja határozza meg hagyományos vezérlési rendszerek esetén.
Fontos volt tehát, hogy a gyártók megoldást találjanak a különböző fordulatszám-tartományok eltérő szelepvezérlési igényének megoldására.
A beszívott benzin-levegő keveréket a dugattyú a felső holtpont irányába történő mozgásával sűríti. A gyújtógyertya a keveréket meggyújtja, a gyors égés pedig hő- és nyomásnövekedést okoz. A növekvő nyomás a dugattyút kényszeríti az alsó holtpont felé, ezt nevezzük munka-, vagy terjeszkedési ütemnek. Ahogy a dugattyú közelít az alsó holtpont felé, egyre csökken az őt kényszerítő gáznyomás. Mivel ez már jelentős munkát nem végez, érdemes még az alsó holtpont előtt kinyitni a kipufogószelepet, így a kipufogógázok jelentős része önerőből távozik a hengerből. Ez az energia hasznosítható turbófeltöltő hajtására is. A felső holtpont felé haladó dugattyú a nyitott kipufogószelepen kitolja a maradék égésterméket. Ennek a gáznak is van egy adott tehetetlensége, ami szintén felhasználható a motor töltetcseréjének javításához.
A kiáramló kipufogógáz a csatornájában haladva depressziót kelt maga mögött. Mivel a következő ütem a szívás, ezért érdemes a még be nem zárt kipufogószelep mellé lenyitni a szívószelepet. Ez az úgynevezett szelepösszenyitás, melynek optimális mértéke szintén függ a motorfordulatszámtól és a terheléstől.
A kipufogószelepet addig a pillanatig érdemes nyitva tartani, amíg friss levegő-üzemanyag keverék nem távozik rajta. Adott tehát az igény a szelepvezérlési idők változtathatóságára. Ennek megoldására az egyik legelterjedtebb megoldás a vezérműtengely-elhangolás. A lényege, hogy különböző motorfordulatszám, vagy motorterhelés mellett a fentebb tárgyalt igény szerint a vezérműtengelyt egy szerkezet elfordítja a főtengelyhez (forgattyústengely) képest.
Ennek megvalósítása leggyakrabban a vezérműtengelyre szerelt speciális hajtókerék alkalmazásával történik. A kerék hajtását a főtengelytől kapja 2:1 lassító áttétellel (1), mint a hagyományos vezérlés esetén, de a vezérműtengely egy külön elforgatható agyrészen (2) keresztül kapja a forgatónyomatékot. A hajtó rész és az agy között olajkamra (3) van kialakítva, amit egy – a motorvezérlő számítógép által működtetett – mágnesszelep segítségével tölt fel az olajrendszer a kívánt elmozduláshoz elegendő olajmennyiséggel. Minél nagyobb mértékben szükséges a vezérműtengely elhangolása, annál több olajat enged be a kamrákba a mágnesszelep. A rendszernek többféle variációi vannak, van típus, amelyiknél csak a szívó oldali vezérműtengelyt hangolják el, van amelyiknél a kipufogó oldalit is. A rendszer elterjesztésének egyik úttörője a BMW volt, Vanos néven ismerhette meg a világ ezt a korszerű Otto-motorokon ma már nélkülözhetetlen szerkezetet.
A vezérműtengely-elhangoló kerék ritkán, de meghibásodhat. Jellemzően a nagy futásteljesítmény okozta kopások miatt a kamrákban olajnyomás-vesztés keletkezhet az illesztési hézagoknál, ebben az esetben már nem képes a kívánt tartományban működni. Nem megfelelő, vagy szennyezett motorolaj esetén a működtető mágnesszelep képes megszorulni, akadályozva a kamrákba bejutó kívánt olajmennyiséget.
Az Otto-motorok szívóoldalának fejlesztése tovább folytatódott. Az egyik, nagy hatásfok-vesztést okozó komponens a szívórendszerben a fojtószelep. A fojtószelep feladata a hengerbe jutó friss gázok mennyiségének szabályzása. Ha el szeretnénk hagyni, egy megoldás, ha a szívószelep emelési magasságát szabályozza szükség szerint a motorvezérlő elektronika.
A változtatható löketmagasságú szelepvezérlés sorozatban történő alkalmazását legkorábban talán a BMW kezdte, de mindenképpen e gyártó által bevezetett rendszer hangozhat mindnyájunk számára ismerősen. Ez pedig a Valvetronic. A rendszer fantasztikus műszaki megoldása egyszerűségében és tartósságában rejlik. A szabályzás működtetője egy elektromos állítómotor (1), ami a kívánt mértékben tekeri az excentertengelyt (2). Az állítás mértékétől függően az emelőkar (3) más szögben találkozik a vezérműtengellyel (4), ezért az állítás mértékével arányosan tudja lenyomni a szelephimbát, ami egyik oldalán a hidrotőkén (6), másik oldalán a szívószelepen fekszik. Egyszerűbben: amikor lenyomjuk a gázpedált, a villanymotornak adunk parancsot, hogy a szívószelepek lenyitásának növelésével engedjen be több friss gázt (levegő, vagy üzemanyag-levegő keverék) a hengerekbe. Ezeken a motorokon is megtaláljuk a fojtószelepet, de annak csak a hidegindításkor, leállításkor, a motor bemelegedési szakaszában és vészüzem esetén van szerepe.
Néhány éve a Fiat is megragadta a változó löketmagasságú szívószelep vezérlésének lehetőségét, létrehozta a MultiAir rendszert. Ennél a rendszernél elég egy darab vezérműtengely mind a kipufogó, mind a szívószelepek vezérléséhez, pedig hengerenként négy szelep található ebben a motorban is. Ettől eltekintve mégis bonyolultabb, sérülékenyebb megoldás, de működőképes. A vezérműtengely szívószelepet vezérlő bütyke (1) egy himba (2) segítségével nyomja a pumpaelemet (3). A keletkezett nyomás egy olajkamrán keresztül áramlik a hidraulikus szelepemelőkbe (5) olyan mértékben, amennyire a szabályzást végző mágnesszelep (4) engedi. A mágnesszelep alaphelyzetben nyitva van, a szelepemelés nagysága arányos a mágnesszelep kivezérlésével. Ez a rendszer gyakorlatilag szinte korlátlan lehetőséget nyújt a motorvezérlő szoftvert írók számára a szívószelep nyitásának ideje és mértéke szempontjából, lehetőség van korai, vagy késleltetett szelepnyitásra. A rendszer jóval bonyolultabb a vázolt elméleti leírásomnál, a motorvezérlő szoftvernek figyelembe kell vennie a kamrákban lévő olajhőmérsékletet, a motorolaj öregedését és még sok más paramétert.
A MultiAir motor fejlesztésénél a gyártó a Selenia K Pure Energy 5W40 motorolajat használta, a rendszer jó működése leginkább ezzel, vagy az ACEA C3 szabványt teljesítő 5W40-es motorolajokkal garantálható. A 13. képen egy 40 000 kilométert olajcsere nélkül megtevő Fiat Punto Evo hibatárolója látható. Ez is igazolja, hogy a rossz olajminőség negatív hatással van erre a szelepvezérlési módra.
Az Otto-motor evolúcióját nagymértékben gyorsították a környezetvédelmi előírások. Míg a kilencvenes években elegendő volt egy lambdaszonda a katalizátor elé az Euro II norma teljesítéséhez, a kétezres évekre már kellett egy a katalizátor után is.
1 kilogramm benzin tökéletes elégetéséhez körülbelül 14,7 kilogramm levegő szükséges. Ez az úgynevezett lambda=1 állapot. A lambda-érték tehát az égéstermékben található oxigén tartalmából következtethető ki. Ez gyakorlatilag egy arányszám, amit a hengerben található légtömeg és a befecskendezett üzemanyag tökéletes elégéséhez szükséges légtömeg (elméleti légszükséglet) hányadosaként kapunk meg. Ha a lambda-érték kisebb, mint 1, dús keverékről, ha nagyobb, mint 1, szegény keverékről beszélünk. A gyújtógyertya-elektródák közötti ívkisülés nagyjából a 0,75-1,3 lambda tartományban lévő keveréket képes biztonságosan meggyújtani, ám speciálisan kialakított befecskendezési sugártereléssel az 1,7-es lambda-értékű szegény keverék is meggyújtható. A motor a legnagyobb teljesítményét a lambda 0,85 dús értéknél adja le, ekkor a lángterjedési sebesség eléri a 25 m/s-ot. A legkisebb üzemanyag-fogyasztás lambda 1,1-1,2 érték között érhető el. A dús keverék magas CO (szénmonoxid) kibocsátást eredményez, a túl szegény pedig a NOx (nitrogén-oxidok) képződésének melegágya, ez az anyag pedig kifejezetten rákkeltő.
A szívócső-befecskendezésű motorok tervezésekor a gyártók törekedtek a lambda=1 körüli érték megvalósítására. A hatósági érték a 0,97-1,03-at írja elő irányként, ebben a tartományban működik a legtökéletesebben a három komponensre ható katalizátor. Valamiért a köznyelv háromutasnak nevezte el (a német 3-wege Katalysator tükörfordítása – a szerk.). Nem valósítható meg minden működési tartományban ez az érték. Hidegindításkor, a motor bemelegedési szakaszában és gyorsításkor dús keverékre van szükség, ekkor a motorvezérlő elektronika szoftvere figyelmen kívül hagyja a lambdaszonda jelét, tehát a lambdaszabályzás úgynevezett nyitott állapotba kerül. Szélessávú lambdaszondával extrém körülmények között is kontrollálható a keverékképzés, de ez egy későbbi cikk témája.
A kipufogóba áramló égéstermékek a katalizátor előtt az első, vagy úgynevezett szabályzó szonda előtt haladnak el. A szonda érzékeli a kipufogógáz oxigéntartalmát és ez alapján küld jelet a motorvezérlő elektronikának. A jel feldolgozása után a számítógép a korrigálás igényének mértékében változtat a befecskendezőszelepek nyitási idején, így több, vagy kevesebb üzemanyagot permetez a szívócsőbe igény szerint.
A katalizátor 300 Celsius fok hőmérséklet alatt semmilyen átalakításra nem képes. Üzemi hőmérsékleten – 400-800 Celsius fok között – a beáramló szén-monoxidot (CO), szénhidrogént (HC) és nitrogén-oxidot (NOx) alakítja át vízgőzzé (H2O), szén-dioxiddá (CO2) és nitrogéngázzá (N2). 900 Celsius fok fölött a katalizátor gyors öregedésének valószínűsége nagy, ezért veszélyes, ha abba túl sok éghető anyag kerül. Ez akkor fordulhat elő, ha például egy motor nagy mértékben fogyasztja az olajat, vagy égéskimaradás miatt elégetlen üzemanyag kerül a kipufogórendszerbe.
Az ezredforduló után életbe lépő törvényi szabályozások előírták a katalizátor működésének felügyeletét. Ennek értelmében nem csak az abba áramló kipufogógáz minőségét értékeli ki a motorvezérlő elektronika, hanem az abból kiáramló gázokat is, az úgynevezett katalizátor diagnosztizáló lambdaszondával. Amikor a katalizátor elérte az üzemi hőfokát, és a jármű bizonyos menetállapotba kerül, a szoftver lefuttat egy katalizátorhatásfok-vizsgálatot. Ha a vizsgálat eredménye rossz, rögzít egy hibakódot és aktiválja a MIL-t (malfunction indicator lamp, hibajelző lámpa).
A szívócső-befecskendezésű Otto-motor a XXI. századra elérte a fejleszthetőség határát. Sportosabb modelleken, vagy a hagyományosan ebbe az irányba fejlesztő gyártók előszeretettel alkalmaztak turbó-, vagy más feltöltő rendszereket. A turbófeltöltéses szívócső-befecskendezésű Otto-motorok kompresszióviszonyát csökkenteni kell a fokozott kopogási hajlam miatt, míg a közvetlen befecskendezésű Otto-motorok hűtik az égésteret, ezáltal turbófeltöltés alkalmazása esetén is tartható a jobb hatásfokot garantáló relatív magasabb kompresszióviszony.
A cikk egy három részes sorozat első fejezete. A következő alkalommal a benzines motorokon előforduló emissziócsökkentő-rendszerek és a közvetlen benzinbefecskendezésű Otto-motor lesz terítéken, azt követően pedig a common rail dízelmotorok.